混凝土防滲墻在土石壩加固方案中的探研與分析

宋焱軍

(哈爾濱市磨盤山水庫管理處，哈爾濱 150010)

1 概 述

混凝土防滲墻是一種廣泛應(yīng)用的水工建筑物，是在松散透水地基或壩體中連續(xù)造孔成槽，以泥漿固壁，在泥漿下澆筑混凝土而建成的、起防滲作用的地下連續(xù)墻，是保證地基穩(wěn)定及大壩安全的一項(xiàng)工程措施。特別是在土石壩維修加固工程中，經(jīng)常使用混凝土防滲墻作為壩體的防滲結(jié)構(gòu)。

2 應(yīng)用在土石壩壩體中幾種主要垂直防滲形式及比選

2.1 高壓噴射灌漿

高壓噴射灌漿是以高壓水泥漿或高壓水流強(qiáng)力沖擊切割地層，使水泥漿液與地層土粒摻混，形成充填凝結(jié)體。高壓旋噴形成圓柱狀，擺噴和定噴形成薄板狀，彼此連接形成帷幕，以阻隔滲流。高壓噴射灌漿的優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，速度快。其缺點(diǎn)是對(duì)地層敏感性強(qiáng)，缺少快速可靠的檢查方法。

2.2 帷幕灌漿

帷幕灌漿從機(jī)理分為劈裂灌漿和滲透灌漿兩種。前者是利用灌注漿液的壓力將壩體或地基有控制地劈開，通過灌注漿液，形成漿體防滲帷幕；后者則是在灌漿壓力的作用下，將漿液滲透到地層孔隙中，從而形成防滲帷幕。兩者都是通過灌注漿液而形成帷幕防滲的。劈裂灌漿的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，施工方便，造價(jià)低廉。壩體劈裂灌漿主要適用于壩高小于30 m的心墻壩和均質(zhì)壩中，當(dāng)壩體存在碾壓不實(shí)、漏水、滲透變形等問題時(shí)采用。滲透灌漿的特點(diǎn)是可達(dá)到很大的深度，幾乎是解決基巖滲漏問題的唯一的方法，但造價(jià)較高。

2.3 混凝土防滲墻

與高壓噴射灌漿和帷幕灌漿相比，防滲墻是最為穩(wěn)妥可靠的。首先是因?yàn)榉罎B墻是在造成完整的槽孔并有可靠的接頭條件下澆筑混凝土的；其次是因?yàn)樵谠炜走^程中泥漿的滲透和泥皮的存在，形成一個(gè)附加的隔水層；第三則是因?yàn)榉罎B墻的工序檢查和最終檢驗(yàn)方法相對(duì)成熟。

近些年來，混凝土防滲墻施工技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)具、工藝、墻體材料、檢測(cè)等各個(gè)方面都有很大的進(jìn)步。造孔機(jī)具主要有沖擊鉆機(jī)、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、鋼繩抓斗、液壓抓斗以及液壓銑槽機(jī)等。墻體材料有高強(qiáng)混凝土和塑性混凝土及自凝灰漿等。施工過程中，固壁及墻間接縫是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)充分重視造孔固壁泥漿的制作、使用、管理及回收利用，一般采用優(yōu)質(zhì)膨潤土制成低固相的優(yōu)質(zhì)泥漿。根據(jù)不同地層對(duì)泥漿性質(zhì)的要求，可摻加分散劑、增黏劑、加重劑等改善泥漿性能。墻間接縫是指防滲墻槽段間的接縫，是防滲墻施工的薄弱環(huán)節(jié)。接縫的形式和施工方法主要包括以下幾種：鉆鑿法、雙反弧接頭法、拔管法等。對(duì)于混凝土防滲墻成墻質(zhì)量的檢查主要方法有：鉆孔取芯法、超聲波和地震透射層析成像(CT)法。

3 應(yīng)用實(shí)例

某大(Ⅱ)型水庫總庫容5.23×108m3，攔河壩為黏土心墻土石壩，心墻頂高程322.50 m，底高程284.00 m，下部與混凝土防滲墻相接，最大壩高49.9 m。技術(shù)人員巡視過程中發(fā)現(xiàn)，0+225斷面壩頂心墻下游側(cè)測(cè)壓管水位異常升高，且伴有大幅度波動(dòng)變化。經(jīng)過專業(yè)人員對(duì)該異?，F(xiàn)象的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致測(cè)壓管水位異常的根本原因是心墻的質(zhì)量缺陷，從而發(fā)生了滲透變形，形成滲流通道。針對(duì)以上情況，研究決定第二年春季進(jìn)行防滲應(yīng)急加固處理。

3.1 應(yīng)急加固方案比選

3.1.1 應(yīng)急加固方案選擇的幾項(xiàng)原則

應(yīng)急加固方案選擇應(yīng)考慮方案實(shí)施后的可靠性、實(shí)施中的安全性、對(duì)周圍環(huán)境的要求、方案的經(jīng)濟(jì)性、工期、與最終方案的結(jié)合程度以及社會(huì)影響等多方面因素。

3.1.2 幾種可能的加固方案

土石壩防滲處理通常采用灌漿和防滲墻或二者結(jié)合的型式。灌漿可分為充填灌漿、劈裂灌漿、高噴灌漿和帷幕灌漿。防滲墻根據(jù)墻體材料不同，分為黏土防滲墻、水泥土攪拌防滲墻和混凝土防滲墻。針對(duì)該水庫壩體壩基條件、工程規(guī)模及已做過的加固處理情況，初步擬定采用如下6種應(yīng)急加固方案：

1) 充填灌漿方案，底部到建基面(簡稱充填灌漿)。

2) 高壓旋噴方案，底部到建基面(簡稱高噴灌漿)。

3) 混凝土防滲墻，底部與原防滲墻“搭接”(簡稱防滲墻搭接方案)。

4) 全混凝土防滲墻，底部延伸至弱風(fēng)化基巖0.5～1.0 m(簡稱全混凝土防滲墻方案)。

5) 混凝土防滲墻，下接灌漿帷幕(簡稱上墻下幕方案)。

6) 水泥土攪拌墻(簡稱TRD工法方案)。

3.1.3 方案比較

3.1.3.1 方案I——填充灌漿方案

對(duì)于壩體填筑質(zhì)量很差，甚至有滲漏通道的壩體，用填充灌漿進(jìn)行應(yīng)急處理是有效的。如該工程對(duì)0+255段的填充灌漿就會(huì)起到明顯效果。作為度春汛的應(yīng)急措施，是可選用的方案之一。它的最大優(yōu)點(diǎn)是方便、快捷、有效、費(fèi)用最低、工期最短，只要灌漿壓力控制得當(dāng)，施工是安全的，且對(duì)場(chǎng)地和庫水位要求不高。缺點(diǎn)是長期可靠性差，與最終加固方案無法結(jié)合。

3.1.3.2 方案Ⅱ——高壓旋噴灌漿方案

該方案同樣短時(shí)間內(nèi)能起到一定效果，相對(duì)而言工期短，費(fèi)用低，對(duì)施工場(chǎng)地水庫水位要求適當(dāng)?shù)退?。但施工安全性最差，易發(fā)生安全事故，需嚴(yán)格控測(cè)。該方案與最終加固方案無法結(jié)合。

3.1.3.3 方案Ⅲ——混凝土防滲墻與原塑性混凝土防滲墻“搭接”方案

該方案的出發(fā)點(diǎn)是盡量利用原塑性混凝土防滲墻，但施工難度大，技術(shù)要求高，未見成功案例的相關(guān)報(bào)道。搭接灌漿成功后，防滲性是可靠的，施工安全性沒有問題，屬常見施工方案。該方案對(duì)施工場(chǎng)地要求較大，需拆除防浪墻和壩頂保護(hù)層，要求庫水位處于適當(dāng)?shù)退?。就?yīng)急加固費(fèi)用而言，可有效利用原塑性防滲墻，會(huì)節(jié)省大量加固資金。其施工期相對(duì)較長。如混凝土防滲墻和基礎(chǔ)塑性混凝土防滲墻“搭接”能夠成功，則原塑性防滲墻墻體可保留利用。從這個(gè)角度看，是最合理的。

3.1.3.4 方案Ⅳ——全混凝土防滲墻方案

原防滲墻伸至卵石混合層底部，其下帷幕灌漿，灌至微風(fēng)化巖石底部。經(jīng)驗(yàn)表明，防滲墻伸入微風(fēng)化巖石0.5～1 m，其防滲效果已很好?？紤]到強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚僅2～3 m，防滲墻穿過該層，伸入微風(fēng)化巖石0.5～1 m，增加的工程量不很大，既可省去其下灌漿工序，又能收到很好的防滲效果，故提出全混凝土防滲墻方案。該方案一勞永逸，實(shí)施后防滲可靠性最好。施工安全性及對(duì)周圍環(huán)境的要求同方案Ⅲ。但該方案費(fèi)用最高，且原壩基塑性混凝土防滲墻實(shí)施中遇到的混合土卵石層夾孤石，施工難度大，工期最長，社會(huì)影響也最大。但應(yīng)急加固后，該段防滲墻墻體可保留利用，作為永久性混凝土防滲墻的一部分。從該角度看，它可省去應(yīng)急加固費(fèi)用，是合理的。

3.1.3.5 方案Ⅴ——上墻下幕方案

該方案防滲墻伸入碎石混合土2～3 m，其下帷幕灌漿，至弱風(fēng)化巖底部。考慮到必須在主汛期前完成，工期長度成為控制性條件。且近年來帷幕施工技術(shù)可靠性不斷進(jìn)步，也有成功實(shí)例，故提出上墻下幕方案。該方案實(shí)質(zhì)上仍是重建一套完整的防滲體系，效果可靠，施工安全性及對(duì)周圍環(huán)境的要求同方案Ⅲ、Ⅳ，費(fèi)用較貴。但可在主汛期來臨之前完成。且其應(yīng)急加固后，該段防滲體可保留利用，作為永久性防滲體系的一部分，經(jīng)濟(jì)上是合理的。

3.1.3.6 方案Ⅵ——TRD工法方案

該工法方案多用于堤防和工民建或低壩中，其優(yōu)點(diǎn)是成墻連續(xù)可靠，施工較快，作為應(yīng)急加固方案，是可選用方案之一。該方案可靠性較好，施工最安全，費(fèi)用適中，工期較短。但占用場(chǎng)地大，壩頂防浪墻和保護(hù)層要拆除，也需要適當(dāng)降低庫水位，且與最終加固方案無法結(jié)合。

上述6個(gè)應(yīng)急加固方案的定性比較見表1。

表1 應(yīng)急加固方案比較表

作為度春汛的應(yīng)急加固方案，這6個(gè)加固方案均可行，但考慮當(dāng)前工程險(xiǎn)情仍未得到控制，具有搶險(xiǎn)性質(zhì)的方案Ⅰ顯然有優(yōu)勢(shì)。

方案Ⅱ優(yōu)勢(shì)不突出，施工安全性差，易發(fā)生安全事故，該方案建議不予考慮。若工程險(xiǎn)情能得到基本控制，方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ、方案Ⅵ均可考慮。若工期也能滿足度汛要求，顯然能與最終加固方案結(jié)合的方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ更有優(yōu)勢(shì)，方案Ⅵ可不予考慮。故推薦方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ。

方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ這3個(gè)方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)。就三者比較而言，方案Ⅲ工期最短，費(fèi)用最低，社會(huì)影響最小，但施工難度較大。因其利用原防滲墻為塑性，混凝土耐久性差，加之新老防滲墻“搭接”部位為薄弱部位，受力變形條件復(fù)雜，其長期效果(耐久性)需進(jìn)一步計(jì)算論證和運(yùn)行檢驗(yàn)。方案Ⅳ從技術(shù)上看，防滲效果最可靠，可一勞永逸。但費(fèi)用最貴，施工難度大，工期最長，難以在主汛期前實(shí)施完畢，且社會(huì)影響最大。相比之下，方案Ⅴ技術(shù)上也是可靠的，費(fèi)用較低，工期較短，滿足主汛期前完成的要求，對(duì)社會(huì)影響較小，但壩基混合土卵石層灌漿效果難以保證，其長期效果(耐久性)不如方案Ⅳ。在現(xiàn)階段，社會(huì)影響的大小往往是決策者不得不考慮的一個(gè)重要因素。

3.2 最終方案確定

通過上述分析，方案Ⅲ、方案Ⅳ、方案Ⅴ這3個(gè)方案均可行。但最終方案確定還應(yīng)結(jié)合方案的可靠性、安全性、耐久性、費(fèi)用、工期、施工條件、社會(huì)影響等多方面因素綜合考慮，進(jìn)一步細(xì)化和盡可能量化，綜合分析比較，并結(jié)合水庫工程和當(dāng)前實(shí)際情況來選擇確定。

水庫當(dāng)時(shí)雖已采取降低水位運(yùn)行、加強(qiáng)巡視檢查監(jiān)測(cè)等措施、做好緊急泄洪和應(yīng)急搶險(xiǎn)等應(yīng)急準(zhǔn)備工作，但心墻滲透變形仍在發(fā)展。因此，防滲墻施工前應(yīng)盡快采用充填灌漿的方式，對(duì)心墻已形成的滲漏通道進(jìn)行封堵，控制險(xiǎn)情發(fā)展?？紤]到該工程的重要性，最終加固方案應(yīng)該是重建一套完整可靠的防滲體系。為避免施工機(jī)具重復(fù)進(jìn)場(chǎng)和施工帶來的成本和社會(huì)影響，同時(shí)為確保防滲體系的效果，最好結(jié)合應(yīng)急處理，在主汛期前一次完成重造大壩防滲體系的實(shí)施方案。推薦方案形成后,邀請(qǐng)相關(guān)專家多次研究探討大壩應(yīng)急加固處理方案，最終形成一致意見：采用塑性混凝土防滲墻處理方式，用方案Ⅴ 即“上墻下幕”的施工方案與壩基混凝土防滲墻銜接，對(duì)大壩全段進(jìn)行一次性除險(xiǎn)加固，形成完整的大壩防滲體系。工程完工后收到了預(yù)期效果。

4 結(jié) 語

混凝土防滲墻是隱蔽工程，是處理土石壩滲漏的一種比較常用的好方法，因?yàn)樗茌^徹底地截?cái)酀B流。但這也是一種比較費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的方法。但當(dāng)設(shè)計(jì)考慮不周全或施工質(zhì)量較差時(shí)，也達(dá)不到預(yù)期效果，甚至?xí)霈F(xiàn)新的滲漏問題。因此，周密的設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕ず陀行У谋O(jiān)督是成功的關(guān)鍵。